壓縮空氣能源的正確使用

吳廣忠, 董雪蓮,霍振軍

(1.青島高測科技股份有限公司，山東 青島 266100;2.思高特自動化設備(青島)有限公司，山東 青島 266100;3.青島建誠偉業機械制造有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

當前我國在氣動系統上每年的耗電量高達2 000億度以上，企業在氣動技術使用中普遍存在著效率偏低、浪費嚴重、節能意識淡薄等問題，超過90% 的氣動系統都有20%以上可節能的空間。

氣動系統的節能要從壓縮氣體的產生、傳輸和使用三個環節入手。按照用最少投資獲取最大效果的原則，節能的三個環節排序為：①現場用氣的合理性(使用)；②壓縮空氣管理(傳輸)；③空壓機優化(產生)。其中現場用氣的合理性是節能的關鍵。

1 壓縮空氣的成本計算

壓縮空氣的成本主要是電費成本，大體的估算公式為：

(1)

通常電費為0.7元，效率系數取0.8，以額定功率250 kW、額定排氣量40 m3的空壓機為例，其單位能耗=(250×0.7)/(40×60×0.8)=0.09 元/m3。

一般企業的壓縮空氣綜合成本在0.1元/m3(ANR)以上。空壓機輸出壓力與運行電費是有一定關系的，對于螺桿式、活塞式空壓機而言，通常降低0.1 MPa輸出壓力，可以使空壓機的用電量節省7%～10%。

2 現場用氣的合理性

一般使用壓縮氣體的場合普遍存在幾種現象：①泄漏；②吹氣；③壓力損失；④低壓化；⑤間歇控制。

2.1 泄漏

工業中不應該流出或漏出的物質或流體流出或漏出機械設備以外，造成損失，稱之為泄漏。泄漏處的孔徑d2與泄漏量Q之間有一個對應數據關系，其計算依據是一個經驗公式，即：

Q=83×d2×(P+0.101 3).

(2)

其中：P為噴嘴壓力。

公式(2)是一個經驗數據的估算，還可以使用一些精確的測量泄漏量的儀器，如表1所示。

表1 流量測試儀器

造成泄漏的原因主要有兩方面：①由于機械加工的結果，機械產品的表面必然存在各種缺陷和形狀及尺寸偏差，因此，在機械零件連接處不可避免地會產生間隙；②密封兩側存在壓力差，工作介質就會通過間隙而泄漏。消除或減少任一因素都可以阻止或減少泄漏。就一般設備而言，減小或消除間隙是阻止泄漏的主要途徑。

2.2 吹氣

吹氣是指的一種動作，泛指將管路內的氣體排放到外界。吹氣的主要功能有：①除塵、除水、干燥、降溫；②分離；③吹出；④貼附，噴涂。吹氣存在3個問題：噴嘴末端的壓力損失高、吹氣供給壓力選擇不當和無工件時仍然吹氣。

2.2.1 噴嘴末端的壓力損失高

噴嘴末端壓力損失大導致供氣壓力高，供氣壓力高導致耗氣量大，耗氣量大導致耗能多。改善這個問題的對策如下：

(1)通過加裝噴嘴，減少下游有效截面積，降低流量，提高噴出的氣體壓力。其原理類似于我們張大嘴去吹氣和收攏嘴去吹氣的差異。噴嘴口徑和流量的關系如表2所示，在距工件距離不變、噴出壓力不變的前提下，通過更改噴嘴的口徑，對應噴出的氣體流量需求。

表2 噴嘴口徑和流量的關系

(2)通過采用低壓損元件增大上游有效截面積。按照1 min吹氣一次，每次20 s，工作時間8 h/d×300天計算得出的噴嘴形式與年耗氣量的關系如表3所示。通過表3中的數據可以直觀地看出,采用氣槍配長噴嘴年耗氣量明顯降低，間接地表征出供給壓力有所降低。

表3 噴嘴形式與年耗氣量的關系

2.2.2 吹氣供給壓力選擇不當

不是說供給的氣壓越高越好，吹擊力是與噴嘴的直徑和距工件的距離相關的。此問題的改善建議是：按照功能需求合理供壓。

2.2.3 無工件時仍然吹氣

大多企業都不太在意吹氣的休息問題，沒有工件時是需要休息的，哪怕是僅僅1 s、2 s，但是日積月累就多了。此問題的改善建議是：使用合適的機械閥、電控閥、氣控閥，使得無工件時停止耗氣。

2.3 壓力損失

壓力損失顧名思義就是氣體壓力沒有被用于有益的工作，而是無端地損失浪費了。導致壓力損失的兩個主要原因是：①主管路管徑小導致的壓力損失，如圖1所示；②過濾器濾芯阻塞導致壓力損失，壓縮空氣過濾器濾芯會隨著使用時間增長而慢慢堵塞，導致進出口壓力差增大，空壓機需要更多工作來彌補此部分壓力損失，花掉更多的電費。

圖1 管子直徑與壓力損失的關系

2.4 低壓化

低壓化是指氣源的輸出端和主管路應采用低壓傳輸的原則，它和常規意識的高壓輸出可以抵消壓降的思路是完全相反的。其實在整個氣路中需要達到高壓的位置并不是很多，大多低壓就可以滿足。所以，可以使用整體低壓、局部增加的策略來滿足不同位置的要求。僅少量位置需要高壓，可以降低空壓機輸出的壓力，有效降低空壓機運行電費。另外，減壓閥的穩壓功能也同樣不可忽視，同樣流量下，穩壓特性越好，對上游壓力的需求越低。

2.5 間歇控制

間歇控制是指氣路系統該休息時就得休息，和無工件時仍然吹氣所表達的意思有些相近。另一方面，間歇控制還闡述了一個停止的概念，引申為截止，阻斷氣路氣體的傳輸，例如當管路出現泄漏點時，要么及時處理好泄漏的位置，要么設備停機直接截止氣路，同樣可以起到節約能源的作用。有些時候，由于手動氣源開關位置偏僻，容易被忽略且操作不便，可以引進一種可與電源開關聯動的截止閥。

在常規的氣路中耗氣量最大的是真空元件，真空發生器在工作時是持續耗氣的。以某企業的一套真空裝置為例，說明采用間歇控制前、后的節能效果。采用雙級噴嘴技術，可以提高真空效率，需要真空時才給真空發生器供氣,真空壓力達到時便自動停止。按照每天工作24 h，每年工作300 d，電費成本0.1元/m3來計算。有無采用間歇控制經濟效益比較見表4。

表4 有無采用間歇控制經濟效益比較

由表4可以看出：采用間歇控制后發生器每年節省成本2 328.2元，壓縮空氣運行成本消減88%。

3 結語

通過本文的分析，了解了如何正確合理地利用壓縮空氣能源，即減少流量和壓力損失、利用正確的氣路控制元件、控制氣體合理輸出，節能空間大，成本投入小，經濟效益可觀。